研究背景

可穿戴和植入式生物傳感器是一類新興的健康監(jiān)測技術(shù)，因其能夠?qū)崿F(xiàn)個性化、實時監(jiān)測營養(yǎng)物質(zhì)、代謝物、激素及藥物等循環(huán)分子，廣泛應(yīng)用于生理健康評估、疾病早期診斷和精準醫(yī)療等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)實驗室血液分析方法相比，可穿戴和植入式生物傳感器具有高時間分辨率、實時監(jiān)測、無創(chuàng)或微創(chuàng)等優(yōu)點。然而，現(xiàn)有傳感器仍存在監(jiān)測物種有限、生物液體環(huán)境下穩(wěn)定性較差、以及生物識別元件修飾復(fù)雜等問題，因此在長期可靠性和大規(guī)模生產(chǎn)方面面臨挑戰(zhàn)。

研究內(nèi)容

鑒于此，美國加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）Minqiang Wang, Cui Ye，高偉Wei Gao等人在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Printable molecule-selective core–shell nanoparticles for wearable and implantable sensing”的最新論文。該團隊設(shè)計并制備了一種溶液合成的核殼納米顆粒，其兼具靶分子識別與穩(wěn)定電化學(xué)信號傳輸功能，可用于大規(guī)模制造穩(wěn)定的傳感器，實現(xiàn)多種循環(huán)生物標志物（如氨基酸、維生素、代謝物和藥物）的連續(xù)監(jiān)測。該核殼結(jié)構(gòu)由分子印跡聚合物（MIP）外殼和普魯士藍類似物（PBA）基紅氧核心組成，MIP外殼選擇性結(jié)合目標分子，并通過改變核心的電子傳輸特性來調(diào)制電化學(xué)信號。

研究發(fā)現(xiàn)，基于六氰合鎳鐵（NiHCF）核心的納米顆?？稍谏镆后w環(huán)境下保持高穩(wěn)定性，適用于長期監(jiān)測。該團隊采用優(yōu)化的納米顆粒墨水，通過噴墨打印技術(shù)批量制備柔性傳感器陣列，實現(xiàn)了可規(guī)模化、低成本的生產(chǎn)。相比于傳統(tǒng)生物傳感器，該方法在減少人工操作的同時，提升了傳感器的一致性和可靠性。

此外，該研究展示了該類傳感器在個性化健康監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用。研究團隊開發(fā)了基于此技術(shù)的可穿戴貼片，可用于無創(chuàng)、多重汗液生物標志物分析，同時可植入皮下實現(xiàn)實時組織間液生物標志物監(jiān)測。通過維生素C、色氨酸和肌酐等模型分析物，該團隊驗證了傳感器在長期新冠研究中的應(yīng)用潛力，并進一步在癌癥患者的治療藥物監(jiān)測（TDM）及小鼠模型中，成功實現(xiàn)了免疫抑制劑（如布司芬、環(huán)磷酰胺和嗎替麥考酚酯）的實時檢測。

圖文導(dǎo)讀

1.實驗首次提出可打印的核-殼納米顆粒，用于可穿戴和植入式生物傳感器的制備，得到了具有分子選擇性識別和穩(wěn)定電化學(xué)信號傳導(dǎo)功能的納米顆粒。這些納米顆粒由分子印跡聚合物（MIP）殼層和基于普魯士藍類似物（PBA）NiHCF的氧化還原活性核心組成，能夠選擇性地識別多種循環(huán)生物標志物。

2.實驗通過優(yōu)化的噴墨打印技術(shù)，將核-殼納米顆粒墨水大規(guī)模生產(chǎn)出柔性傳感器陣列。這些傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)氨基酸、維生素、代謝物和藥物等多種生物標志物的實時監(jiān)測。通過這種方法，傳感器可實現(xiàn)可穿戴和植入式生物傳感器的生產(chǎn)，具有低成本、高穩(wěn)定性和可擴展性。

3.實驗通過展示維生素C、色氨酸和肌酐等標志物的實時監(jiān)測，證明了該技術(shù)在長新冠患者中的應(yīng)用潛力。同時，傳感器還被驗證用于癌癥患者的治療藥物監(jiān)測，通過實時分析免疫抑制劑（如布司坦、環(huán)磷酰胺和霉酚酸），顯示了其在精準醫(yī)療中的重要應(yīng)用前景。

4.實驗通過進一步的功能材料設(shè)計，成功克服了傳統(tǒng)生物傳感器在生物流體中的穩(wěn)定性和生產(chǎn)規(guī)?；矫娴奶魬?zhàn)，簡化了傳感器制造流程，使其具有高度的生產(chǎn)一致性和較低的傳感器間差異。

圖 1| 用于可穿戴和可植入生物傳感的可打印分子選擇性核殼納米粒子。

圖 2|用于靶標識別和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的雙功能核殼納米粒子設(shè)計和表征。

圖 3| 完全噴墨打印MIP/NiHCF納米粒子的電化學(xué)生物傳感器表征。

圖 4| 用于可穿戴長COVID和營養(yǎng)監(jiān)測，基于打印分子印跡聚合物molecularly imprinted polymer ，MIP/鎳鐵普魯士藍nickel hexacyanoferrate，NiHCF納米粒子的生物傳感器評價。

圖 5| 用于實時治療藥物監(jiān)測therapeutic drug monitoring，TDM可穿戴和可植入，基于MIP/NiHCF納米粒子的生物傳感器評估。

結(jié)論展望

本研究通過創(chuàng)新性的核-殼納米顆粒設(shè)計，解決了可穿戴和植入式生物傳感器在目標識別、信號傳導(dǎo)、穩(wěn)定性和規(guī)?；a(chǎn)方面的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為精準醫(yī)療和個性化健康監(jiān)測提供了新的技術(shù)路徑。分子印跡聚合物（MIP）殼層的引入，使傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高度可定制的目標分子識別，而基于普魯士藍類似物（PBA）的氧化還原核心確保了長期穩(wěn)定的電化學(xué)信號輸出。這一突破性的雙功能結(jié)構(gòu)，使得生物傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測多種循環(huán)生物標志物，如氨基酸、維生素、代謝物和藥物，為疾病監(jiān)測和治療藥物管理提供了可靠手段。此外，采用噴墨打印技術(shù)實現(xiàn)傳感器的規(guī)?；圃欤蟠蠼档土顺杀?，提高了傳感器的一致性和可擴展性，為未來醫(yī)療器械的大規(guī)模商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。本研究不僅推動了功能材料在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，也為生物流體實時分析提供了新的研究方向，展現(xiàn)了可穿戴和植入式生物傳感器在全球健康監(jiān)測和精準醫(yī)療中的巨大潛力。

該文章發(fā)表于Nature Materials上

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-02096-4

審核編輯 黃宇